电力信息物理系统中信息系统物理化的建模及分析方法

该文基于信息系统物理化的设想提出电力信息物理系统(cyber-physical power system,CPPS)中的信息流建模和计算分析方法。采用连续时间函数来刻画信息流的特征,并定义信息网络运行参数为流量累积函数、信息流速和时延。首先,基于遍历法搜索出信息流路径,建立信息流速矩阵的范式;然后利用改进的网络演算(network calculus,NC)特性赋值流速矩阵的元素;进一步采用流量累积函数表征信源数据发送规律,从而显式求解时延上界。最后将提出的信息流建模方法应用于智能变电站自动化系统的时延计算,通过与OPNET的仿真结果相比较,验证所提出模型的有效性,而且该方法可以提供定量分析指标以优化变电站组网方案设计中的信息流分布。

信息物理生产系统(CPPS)面临的安全挑战与解决思路

信息物理生产系统(CPPS)具有互联互通、高度集成、人机协同、数据驱动等特点,使其对工业生产过程可实施高效管控,同时也带来诸多安全挑战,包括传统预防/减轻措施降险能力减弱,信息物理深度融合、智能化等新技术和新产品带来的新的不可接受风险等,急需解决新形势下的功能安全问题、信息安全问题以及功能安全与信息安全协同问题。本文梳理了CPPS安全挑战与安全领域的映射关系,提出了协同功能安全和信息安全的安全一体化解决思路。

信息物理生产系统(CPPS)的安全一体化技术要点分析

针对信息物理生产系统(Cyber-Physical Production System,CPPS)面临的安全挑战,本文以功能安全理论和工业信息安全理论为基础,结合CPPS的架构层级和风险演化规律,阐述了CPPS安全一体化的概念内涵和特征、两种跨域传播风险的相同点和不同点,并分析了安全一体化技术框架的要点,以期为研究者开展安全一体化领域的共性方法、关键技术研究提供有益参考。

电力信息物理系统跨域攻击协同防御架构及机制研究

我国电力基础设施已经发展成为具有高度信息化、自动化、智能化特征的信息物理融合系统.信息-物理交互在显著提升电力供给效率和性能的同时,也引入了新型网络安全威胁,通过发生于信息域并明确作用于物理域的跨域攻击,可造成电力基础设施系统性瘫痪,继而引发大面积停电事故,而当前孤立的信息侧或物理侧防御体系难以有效应对跨域攻击威胁.本文介绍了电力系统面临的信息物理跨域攻击威胁现状,分析了传统防御方法面对跨域攻击时存在的不足,提出了一种信息物理协同的跨域攻击防御架构,在针对跨域攻击传播的不同阶段,从感知、辨识、阻断三个角度设计了防御方法,通过算例验证了所提信息物理协同防御架构能够有效保障电力系统安全稳定运行.

面向物理信息系统的分布式攻击图生成算法

物理信息系统包含类型多样的物理设备,现有的攻击图生成技术不适用于物理信息系统.传统的漏洞扫描技术难以检测到物理设备的漏洞,并且随着系统规模的增加,攻击图的计算会出现状态空间爆炸问题.为此,本文提出了一种面向物理信息系统的分布式攻击图生成算法.首先,针对物理设备漏洞识别较难的问题,提出了一种基于属性标记实体的方法扩展实体漏洞信息,并据此对物理信息系统进行攻击建模;其次,针对状态空间爆炸问题,提出了一种分布式攻击图生成算法,并且利用消息传递机制消除图部分的重复遍历,进一步提高了生成效率.实验结果表明,与其他相关技术相比,本文技术具有更高的生成效率.

考虑信息物理融合系统的韧性电网风险研究现状及发展趋势可视化分析

为探究韧性电网信息物理融合系统风险研究现状及发展趋势,基于中国知网(CNKI)和Web of Science(WoS)数据库2011—2023年的文献数据,利用CiteSpace对该领域研究的研究热点、前沿及演化趋势进行可视化分析。研究结果表明:国内研究形成以“风险预警与控制”和“电力系统智能化建设”为主题的研究热点,国外研究形成以“信息物理融合”和“连锁故障演化”为主题的研究热点;“智能电网的信息物理耦合”和“信息网络攻击风险分析”是国内研究的前沿方向,“信息物理融合系统安全状态估计”和“风险防控模型”是国外研究的前沿方向;国内研究可分为安全性理论研究期、信息物理攻击风险研究期和故障防御恢复研究期3个时间阶段,国外研究可分为信息物理融合研究期和信息物理安全应用期2个时间阶段;后续研究应加强改进电力信息物理融合系统建模、完善电力信息物理融合系统规划、推进电力信息物理融合系统应用,推进数字化韧性电网稳定运行。研究结果可为韧性电网风险识别和风险预警研究提供一定参考。

基于信息物理系统的智能产线构建方法

为了实现智能产线的高效构建和灵活重构,使产线具备通过工业软件定义制造过程的能力,提出了一种基于信息物理系统(CPS)模型的智能产线构建方法。通过将自动化设备或装置改造为单元级CPS,再由单元级CPS构建产线级CPS,实现了设备控制逻辑与产线调度逻辑的解耦合。通过在信息空间对产线虚体的建模与接口设计,实现软件对物理产线制造过程的定义。以实际智能产线构建案例,分析该构建方法的有效性。

电力信息物理系统的网络攻击建模、演化规律及应对成本研究

随着电网信息层和物理层的不断融通发展,信息流交互频繁,电力信息物理系统(CPS)面临巨大安全挑战,针对信息层的网络攻击传播至物理层,极易导致整个电力系统的崩溃。基于电力CPS的双层耦合结构,运用传播演化理论建立了一类新型的SIA IB RA RB网络攻击传播模型,描述了网络攻击在电力网络节点中的传播行为。运用动力学分析方法分析网络攻击对电力CPS的攻击力和影响范围,提供预判网络攻击破坏力的具体算法;运用偏秩相关系数法和三维关联偏微分方法对系统参数进行敏感度分析,研究发现电力CPS的网络结构和传播概率对网络安全性至关重要,通过2个仿真模拟验证了上述理论结果的正确性。以南方电网有限公司历次典型设计和典型造价为例,梳理了电力系统网络安全防护体系实际建设费用变化趋势,建议从3个角度对安全防护体系进行精准定位建设,在降低电力CPS造价成本的同时保证系统的安全性。研究结果可为电网防御者在信息物理协同攻击威胁下制定新的防御方案提供参考。

基于Logistic回归的韧性城市电网信息物理融合系统风险源辨识

针对韧性城市电网信息物理融合系统风险源的系统性量化问题,提出基于Logistic回归的风险源辨识模型。通过分析韧性城市电网信息物理融合系统风险产生位置,从物理层、信息层、耦合层和外部环境4个方面选取潜在风险源。根据风险源和风险事件的映射关系,借助Logistic回归分析对风险源进行筛选,构建韧性城市电网信息物理融合系统风险源体系,得出对风险事件有显著影响的主要风险源。

智能汽车信息物理系统状态估计与执行器攻击重构

针对含有网络攻击的非线性广义系统形式描述的信息物理系统,本文研究其状态估计和攻击信号重构问题。首先,将广义系统形式上写成一般系统,利用中间变量重构攻击信号,设计出中间变量观测器;而后,通过线性矩阵不等式得出观测器增益矩阵存在的充分条件;最后,利用数值仿真验证所提方法的可行性。仿真分析中,针对智能汽车的车道保持系统进行建模,将车辆动力模型和车辆保持模型转化为动力系统的形式,从信息物理系统的角度出发,研究车辆的安全状态估计问题。当系统含有网络攻击时,利用所提观测器对车道保持系统状态进行估计,结果表明设计的中间变量观测器能够准确地估计系统状态和攻击信号,且误差系统均在4 s内趋于稳定。

一种考虑储能的电力信息物理系统连锁故障阻断控制策略

电网信息物理高度融合背景下,为了降低电力信息物理系统发生跨空间连锁故障的风险,提出一种计及储能配置的连锁故障阻断控制优化策略。首先,基于电力系统可观可控性构建信息物理多重交互机理,并根据系统间交互阐明过载主导型连锁故障的演化过程。同时在现有调控手段基础上考虑储能入网对连锁故障阻断控制的影响。并将阻断控制表述成多阶段最优潮流问题,获得兼顾安全性与经济性的连锁故障控制方案。采用IEEE-118节点系统对不同控制策略进行对比,验证了所提控制优化策略的有效性,并分析了储能规模对阻断控制的影响。

考虑结构和功能耦合特征的电力信息物理系统 随机加固规划

为提升电力信息物理系统(electric cyber-physical system, ECPS)面对台风等极端灾害的抵抗力,基于两阶段随机优化方法,提出一种考虑双网结构和功能耦合特征的电力/通信网架随机加固规划模型。模型第一阶段计及电力/通信线路的结构耦合特征,以总加固投资和台风灾害损失期望最小为目标,确定加固的电力/通信线路,其中,台风灾害的损失期望由第二阶段计算;第二阶段考虑通信网络故障对电力系统应急调度的级联影响,最小化随机台风场景下ECPS的故障损失期望。为生成具有代表性的台风场景集,确保随机加固方案的适应性,根据台风场景毁伤特征与ECPS故障损失的映射关系,提出一种基于高斯混合模型(Gaussian mixture model, GMM)聚类的约简场景集生成方法。最后,基于逐步对冲算法求解随机加固模型,通过对IEEE RTS 79节点信息物理系统的仿真分析,证明了文章提出的电力/通信网架随机加固规划方法对ECPS具有较好的韧性提升效果。

基于能源枢纽的综合能源信息物理系统安全防护架构研究

为了提高综合能源系统(IES)中设备间和能源节点间的能源和信息交互效率,降低能源生产和传输成本,实现多种能源的高效转化与灵活分配,构建了一种基于能源枢纽(EH)的集中-分布式IES架构。基于该IES模型,定义了基于子信息物理系统集群的信息物理系统,在信息侧提出了能源枢纽节点内部每个子信息物理系统运行模型以及基于子信息系统服务器的信息交互模型。计及IES中信息安全问题对系统可靠性的影响,结合不同类型能源互补、能源网络传输分配、储能和清洁能源动态接入等系统运行特性,分析了综合能源信息物理系统安全需求,并基于可信计算技术构建了一种三元三层可信安全防护架构。从各能源节点为入手点,该防护体系形成了基于节点可信、网络连接可信和应用可信的防护机制,以确保IES安全可靠运行。

电力信息物理系统建模与故障分析

针对电力信息物理系统分层建模中信息层数据转发关系表达不清晰的问题,建立了考虑前置机数据转发功能的电力信息物理系统模型。基于信息物理交互视角,通过对信息流流动过程进行分析并结合电力信息物理系统结构与功能特性,将电力信息物理系统分为数据上传与数据下发两个部分进行建模。数据上传与下发过程中分别建立决策接收矩阵与前置机数据下发矩阵以表达信息流横向流动过程。在数据上传部分建立数据预处理矩阵以表征电力信息系统自动调控能力。最后以IEEE30节点系统为例进行模型推演与故障分析以验证模型的有效性,仿真结果表明,所提模型对多种故障情形下的数据流动分析具有普适性。

具有双重时延的电力信息物理系统的同步控制

随着电力系统的安全可靠运行越来越依赖于通信系统,时间延迟也成为影响电力信息物理系统同步的主要因素之一。针对具有双重时延的电力信息物理系统(cyber physical power system,CPPS)的同步问题,设计控制器解决时延对系统同步的影响。首先,搭建具有双重时延的电力信息物理系统模型,然后根据系统模型设计出控制器,并通过构造Lyapunov函数证明控制器的有效性。对于大规模的系统,提出自适应牵制同步控制器,即将控制器添加到按照结构熵筛选出的牵制节点集的节点。结构熵可以解决当节点度相同时牵制节点的选择问题。最后通过两个算例验证了所提方法的可行性。

基于单工架构的信息物理系统运行时安全性保障方法

运行时安全性保障方法旨在系统运行过程中确保安全性属性得到满足.基于单工(simplex)架构的运行时安全性保障方法能够在使用复杂且安全性未经验证的控制器的情况下,为系统提供安全性保证.其基本思想是将复杂且安全性未经验证的复杂控制器与经过严格形式化验证的安全控制器相结合,前者工作在无安全风险的情况下,若检测发现系统存在潜在的安全风险,则通过决策模块完成复杂控制器与安全控制器之间的切换,从而确保系统的安全性.本文重点关注基于simplex架构的信息物理系统运行时安全性保障方法,从simplex架构决策模块的设计、改进与拓展,以及simplex架构的应用3个方面展开研究,对相关工作进行了梳理和总结,指出当前面临的技术挑战,并展望未来的发展方向,认为基于simplex架构的运行时安全性保障方法将会是解决智能信息物理系统安全性保障问题的有效途径之一.

传输时延环境下医疗信息物理融合系统设计

医疗信息在资源融合过程中具有时延性,为了提高信息的利用与共享效果,设计了传输时延环境下医疗信息物理融合系统。通过构建信息物理融合系统的基础架构,利用AADL建立具有一般性的含有时延特征的采集模块、处理模块和融合模块,提高医疗信息资源融合效率。构建动力学模型,归一化处理医疗信息数据,根据Modelica建模语言完善系统局部稳定性,获得准确的融合结果。实验结果表明所设计系统的资源融合效果较好,资源融合时间较短,物理融合准确率较高,医疗信息利用率较高,可以实现医疗信息的高效利用与共享。

基于数字孪生的关宝山选厂磨磁车间信息物理系统建立实践

近年来,智能化已经成为了时代潮流,为适应矿业发展的“新常态”,中国各矿山企业均大力追求产业升级以满足自身高质量发展的目标。目前,中国在选矿磨磁设备的状态监测与运行维护方面仍然处于初级阶段,为了提高选矿磨磁设备的工作效率及其可靠性,针对预测性维护无法及时实施等关键科学问题,采用数字孪生技术建立了关宝山选厂磨磁车间的信息物理系统,对数字空间与物理空间的数据映射关系进行了相应的研究,基于选矿磨磁设备的运作机制建立了选矿磨磁设备在数字空间下的运转模型,实现了现场的无人巡检与自动检测。为同类选厂自动化升级改造提供参考。

基于信息物理系统的城市照明智能系统

照明智能系统所面临的挑战包括技术门槛高、成本较高、安全隐患等问题,在“碳达峰,碳中和”和技术创新的绿色科技背景下,现行的照明技术已经不能适应。将信息物理系统思想应用于照明智能系统中,构建赛博空间与物理空间之间基于数据自动流动的感知、分析、决策、执行闭环赋能体系,使照明智能系统达到节能环保、舒适度高、安全性好、智能化程度高的效果。

信息物理多重攻击下配电网状态估计关键技术评述

配电网数字化转型将进一步促进信息系统与物理系统的深度耦合,由于配电网信息安全防御资源有限,难以将信息侧安全风险隔离于物理系统之外,这也使得配电网状态估计正面临全新的挑战。首先,文中简要介绍了配电网信息物理系统体系结构,并构建了面向信息物理系统的配电网状态估计技术框架;其次,较为全面地梳理了信息物理融合背景下配电网状态估计技术的国内外研究现状,包括考虑网络攻击的配电网伪量测建模与分析、配电网虚假数据注入攻击分析与防御以及配电网信息物理系统安全风险分析与可靠性评估等方向;最后,对该领域未来进一步发展所面临的关键问题进行了探讨和分析。